DE10034684A1 - Measuring device for measuring a process variable - Google Patents
Measuring device for measuring a process variableInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Messung einer industriellen Prozeßvariablen bei vorgegebener maximaler Leistungsaufnahme durch die Meßeinrichtung. Spezieller betrifft die Erfindung eine Meßeinrichtung zum Anschluß an eine Stromschleife, insbesondere eine 4-20 mA-Stromschleife, oder an eine digitale Kommunikation.The invention relates to a measuring device for measuring an industrial Process variables with a given maximum power consumption by the Measuring device. More particularly, the invention relates to a measuring device for Connection to a current loop, especially a 4-20 mA current loop, or to digital communication.
Einrichtungen zur Messung einer Prozeßvariablen werden verwendet, um eine Prozeßvariable zu erfassen und die gemessenen Werte zur anschließenden Verarbeitung weiterzugeben. Die Weitergabe der gemessenen Werte kann über eine Stromschleife geschehen oder über eine digitale Kommunikation. In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn die Meßeinrichtung ihre benötigte Leistung aus den beiden Leitungen entnimmt, über die der Meßwert weitergegeben wird.Means for measuring a process variable are used to measure a Process variable to record and the measured values for subsequent Pass on processing. The measured values can be passed on done via a current loop or via digital communication. In In both cases, it is advantageous if the measuring device needs it Draws power from the two lines over which the measured value is passed on.
Bei der Weitergabe der Meßwerte über eine Stromschleife wird der Strom in der Stromschleife so eingestellt, daß seine Größe die Größe der Prozeßvariablen widerspiegelt. Es hat sich heutzutage ein Standard durchgesetzt, der Ströme zwischen 4 mA und 20 mA verwendet, wobei ein Strom von 4 mA durch die Stromschleife den maximalen (oder minimalen) Meßwert und ein Strom von 20 mA den minimalen (oder maximalen) Meßwert der Prozeßvariablen repräsentiert.When the measured values are passed on via a current loop, the current in the current loop is set so that its size is the size of the Reflects process variables. It has become a standard these days enforced using currents between 4 mA and 20 mA, with a Current of 4 mA through the current loop the maximum (or minimum) Measured value and a current of 20 mA the minimum (or maximum) measured value represents the process variable.
Diese Meßtechnik erweist sich als weitgehend störunempfindlich und hat große Verbreitung in industrieller Anwendung erfahren.This measuring technique proves to be largely insensitive to interference and has experienced widespread use in industrial applications.
Einer Meßeinrichtung, die mittels einer Stromschleife versorgt wird, steht nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung. Diese Leistung hängt von der Versorgungsspannung und dem (gemäß dem auszugebenden Meßwert) aktuell eingestellten Strom ab. Herkömmliche Meßeinrichtungen sind so dimensioniert, daß sie mit der minimal zur Verfügung stehenden Leistung auskommen, d. h. nur die bei minimalem Strom und minimaler Spannung anstehende Leistung benötigen. Steht mehr Leistung zur Verfügung, wird diese zusätzliche Leistung in einer Stromstufe in Verlustleistung umgesetzt und nicht in der Meßeinrichtung zur Verbesserung der Messung verwendet.A measuring device, which is supplied by means of a current loop, is only available limited power available. This performance depends on the Supply voltage and (according to the measured value to be output) current set current. Conventional measuring devices are like this dimensioned with the minimum available power get along, d. H. only those with minimal current and minimal voltage need upcoming performance. If more power is available, this additional power is converted into power loss in a current stage and not used in the measuring device to improve the measurement.
Meßeinrichtungen, die über eine digitale Kommunikation angesteuert werden, haben oft eine konstante Stromaufnahme, da dies für die Datenübertragung notwendig ist. Hier ist die zur Verfügung stehende Leistung abhängig von der angelegten Klemmenspannung. Herkömmliche Meßeinrichtungen sind auch hier so ausgelegt, daß die Meßschaltung eine konstante Leistungsaufnahme hat, die der Leistung bei minimaler Versorgungsspannung entspricht. Zu sätzlich angebotene Leistung bei größerer Versorgungsspannung wird auch hier in Verlustleistung umgesetzt.Measuring devices that are controlled via digital communication, often have a constant current draw as this is for data transmission necessary is. Here the available performance depends on the applied terminal voltage. Conventional measuring devices are also here designed so that the measuring circuit has a constant power consumption that corresponds to the power with minimum supply voltage. to Additional service offered with a larger supply voltage is also implemented here in power loss.
Aus EP 0 687 375 ist ein Verbesserungsvorschlag bekannt, bei dem ein intelligenter Meßwertgeber mit einer Fühlerschaltung ausgestattet wird. Der Meßwertgeber wird bei einer Meßfrequenz betrieben, die einer Leistungs aufnahme entspricht, die größer ist als die bei minimalem Strom und minimaler Spannung über die Stromschleife verfügbare Leistung. Kommt es dadurch zu einem Defizit (d. h. die verbrauchte Leistung übersteigt die zulässige verfügbare Leistung), dann ermittelt die Fühlerschaltung dieses Defizit und veranlaßt, daß die Ausführung des Meßprogramms ausgesetzt wird, bis das Defizit nicht mehr besteht.From EP 0 687 375 an improvement proposal is known in which a intelligent sensor is equipped with a sensor circuit. The Transducer is operated at a measuring frequency that a power corresponds to the recording, which is larger than that at minimum current and minimum voltage available through the current loop. It comes thereby becoming a deficit (i.e. the power consumed exceeds the permissible available power), then the sensor circuit determines this Deficit and causes the execution of the measurement program to be suspended until the deficit no longer exists.
Dies führt jedoch, neben anderen Problemen, zu wiederholter Ausgabe falscher Meßwerte, was nicht akzeptabel ist.However, among other problems, this leads to repeated output incorrect readings, which is not acceptable.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die ohne die Gefahr von Fehlanzeigen des Meßwertes in der Lage ist, ihren Leistungsbedarf an die zur Verfügung stehende Leistung anzupassen.The object of the invention is a measuring device of the type mentioned to be specified without the risk of incorrect readings of the measured value in the Is able to match their power requirements to the available power adapt.
Dabei soll möglichst genau so der insgesamt aufgenommenen Leistung zur Erfüllung der Meßaufgabe verbraucht werden, daß zum einen Geschwindig keit und Qualität der Messung optimiert werden. Theoretisch würde also die gesamte Leistung, die dem jeweils anzuzeigenden Meßwert entspricht, durch die entsprechend häufige Funktion des Meßwertgebers verbraucht. In der Praxis wird aber schon sicherheitshalber immer noch eine gewisse Differenz zwischen zur Verfügung stehender Leistung und zur Erfüllung der Meßauf gabe verbrauchter Leistung übrig bleiben, damit kein Leistungsdefizit und damit keine Fehlfunktion des Sensors entstehen kann. Der Überschuß an Leistung wird in der Meßeinrichtung in Verlustleistung (Wärme) umgesetzt. Die Summe beider aufgenommener Leistungen muß genau so groß sein, daß der insgesamt vom Sensor aufgenommene Strom einem definierten Wert entspricht. Dieser Wert ist beim Sensor innerhalb einer Stromschleife (4- 20 mA) durch den aktuell auszugebenden Meßwert vorgegeben.The total power consumed should be as accurate as possible Fulfillment of the measurement task are consumed that on the one hand speed measurement quality and quality can be optimized. In theory, that would be total power, which corresponds to the measured value to be displayed, by the correspondingly frequent function of the sensor is used up. In the For safety's sake, however, practice still becomes a certain difference between available performance and to meet the measurement requirements used power remain so that no performance deficit and so that the sensor cannot malfunction. The surplus Power is converted into power loss (heat) in the measuring device. The sum of both services received must be just as large that the total current absorbed by the sensor has a defined value equivalent. For the sensor, this value is within a current loop (4- 20 mA) specified by the measured value currently to be output.
Beim digital kommunizierenden Sensor entspricht beispielsweise der Wert des konstant aufgenommenen Stroms den allgemeinen Vorgaben in Zusammen hang mit dem benutzten Kommunikationsprotokoll.In the case of the digitally communicating sensor, for example, the value of constant current consumed in general hang with the communication protocol used.
Zur Lösung der Aufgabe dienen erfindungsgemäß die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmalskombinationen.According to the invention, the in the independent Characteristic combinations defined claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Grundsätzlich wird in den am meisten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die gewünschte Anpassung der zur Durchführung der Meßaufgabe aufgenommenen Leistung an die zur Verfügung stehende Leistung ohne deren Überschreitung dadurch ermöglicht, daß der aktuelle Überschuß an Leistung, der in Verlustleistung umgesetzt werden müßte, bestimmt wird. Nach Ermittlung dieses aktuellen Überschusses ist die Kontrolleinheit des Sensors in der Lage, durch geeignete Maßnahmen bezüglich Art und Häufigkeit der Durchführung der Meßzyklen die Leistungsaufnahme der Meßeinrichtung an die vorgegebene maximal verfügbare Leistung so anzunähern, daß der Überschuß minimiert wird, ohne eine bestimmte vorge gebene Grenze für den Überschuß zu unterschreiten. (Ideal ist der Überschuß an dieser Grenze also wenigstens annähernd gleich Null.)Advantageous configurations are defined in the dependent claims. Basically, in the most preferred embodiments, the Invention the desired adjustment to perform the measurement task power added to the available power without exceeding them enables the current excess to Power that should be converted into power loss is determined. After determining this current surplus, the control unit is the Sensors are able to take appropriate measures regarding type and Frequency of performing the measuring cycles the power consumption of the Measuring device to the specified maximum available power so approximate that the surplus is minimized without a certain pre below the given limit for the surplus. (The excess is ideal at this limit, therefore, at least approximately zero.)
Die Bestimmung des aktuellen Überschusses kann entweder durch direkte Messung des überschüssigen Stroms oder der überschüssigen Leistung erfolgen. Es ist aber auch auf indirektem Weg möglich, durch Messung von Strom oder aufgenommener Leistung zur Durchführung der Meßaufgabe und Messung von zur Verfügung stehender Leistung bzw. Kenntnis von zur Verfügung stehendem Strom über Differenzbildung den aktuellen Überschuß zu ermitteln. Wählt man den Weg der indirekten Überschußbestimmung, kann man eine wesentliche Vereinfachung bei geringem Nachteil dadurch erreichen, daß auf einzelne Messungen zur Strom- bzw. Leistungsermittlung verzichtet wird und diese durch geeignete Schätzungen sowie Einhaltung größerer Reserven ersetzt werden.The current surplus can be determined either by direct Measurement of excess current or power respectively. But it is also possible indirectly, by measuring Current or power consumed to carry out the measurement task and Measurement of available performance or knowledge of Available current through difference formation the current surplus to investigate. If one chooses the way of indirect surplus determination, can a significant simplification with little disadvantage achieve that on individual measurements for current or power determination is waived and this through appropriate estimates and compliance larger reserves to be replaced.
Außerdem ist es oft möglich, sich bei der Ermittlung von zur Durchführung der Meßaufgabe aufgenommener Leistung auf die Leistungsaufnahme der Schaltungsteile zu beschränken, die bekanntermaßen am meisten ins Gewicht fallen.In addition, it is often possible to identify yourself in order to carry out the Measurement task of power consumed on the power consumption of the Restrict circuit parts that are known to weigh the most fall.
Die Erfindung eignet sich für beliebige Meßeinrichtungen für Prozeßvariable, sofern diesen Meßeinrichtungen extern eine Leistungsaufnahme, meist eine variierende maximale Leistungsaufnahme vorgegeben ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Vorgabe der Leistungsaufnahme bei Versorgung mittels einer Stromschleife, weil hier jeweils (mit dem anzuzeigenden Meßwert variierend) nur soviel Leistung maximal verbraucht werden darf, wie dem Strom entspricht, der zur Anzeige des richtigen Meßwertes in den Ver sorgungsleitungen fließen kann.The invention is suitable for any measuring devices for process variables, if these measuring devices have external power consumption, usually one varying maximum power consumption is specified. This is what it is about for example, the specification of the power consumption during care by means of a current loop, because here (with the measured value to be displayed varying) only the maximum amount of power that can be used Current corresponds to that for displaying the correct measured value in the ver supply lines can flow.
Es ist natürlich denkbar, daß sich die Begrenzung der Leistung, die die Meßeinrichtung verbrauchen darf, aus anderen Gesichtspunkten ergibt, beispielsweise bei der Verbindung mit einer digitalen Kommunikation oder aus ganz anderen Gründen.It is of course conceivable that the limitation of the performance that the Measuring device may consume from other points of view, for example when connecting to digital communication or off completely different reasons.
Speziell eignet sich die Erfindung besonders für Sensoren wie beispielsweise Füllstands-Sensoren. Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsformen beschrieben, bei denen es sich einerseits um einen Radar-Füllstandssensor, andererseits um einen Ultraschall-Füllstandssensor handelt. Solche Sensoren werden heute regelmäßig über Stromschleifen oder digitale Kommunikationen (Profibus PA, Fieldbus Foundation, . . .) betrieben und sind daher den erfindungsgemäß zu überwindenden Schwierigkeiten ausgesetzt.The invention is particularly suitable for sensors such as, for example Liquid level sensors. The invention will now be described with reference to two Described embodiments, which are a Radar level sensor, on the other hand around an ultrasonic level sensor is. Such sensors are regularly used today via current loops or digital communications (Profibus PA, Fieldbus Foundation,...) operated and are therefore the difficulties to be overcome according to the invention exposed.
Eine bevorzugte Realisierung der Erfindung verwendet eine Stromstufe, die generell parallel zu den übrigen Komponenten der Meßeinrichtung eingeschaltet wird. Die Stromstufe dient dazu, die Leistung zu verbrauchen ("Verlustleistung"), die übrig bleibt, wenn man von der insgesamt (durch die Meßwert-Anzeigefunktion) vorgegebenen Leistung den Leistungsbedarf der Meßeinrichtung im Meßbetrieb in Abzug bringt. Dieser nicht verbrauchte Leistungsüberschuß ist, wie schon angegeben, ein Maß für die Reserve, die im System für eine Steigerung der Meßleistung noch zur Verfügung steht, ohne daß es zu dem im Stand der Technik (EP 0 687 375) angegebenen Defizit kommt. A preferred implementation of the invention uses a current stage that generally parallel to the other components of the measuring device is switched on. The current stage serves to consume the power ("Power dissipation") that is left over from the total (by the Measured value display function) predetermined power the power requirement of Deducts measuring device in measuring mode. This one not used As already stated, excess performance is a measure of the reserve is still available in the system for increasing the measuring performance, without that to that specified in the prior art (EP 0 687 375) Deficit is coming.
Eine solche Stromstufe bietet verschiedene Möglichkeiten zur Messung des Leistungsüberschusses, wie im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen noch beschrieben werden wird.Such a current stage offers various options for measuring the Excess power, as in the following using exemplary embodiments will be described later.
Hierzu kann der momentane Leistungsüberschuß direkt gemessen werden. Er kann alternativ dazu auch vorausgeschätzt werden. Dazu können bekannte Daten der Meßeinrichtung, beispielsweise der relativ große Leistungsver brauch einzelner Komponenten, herangezogen werden.For this, the current excess power can be measured directly. He can alternatively be predicted. Known can do this Data of the measuring device, for example the relatively large power ver need of individual components.
Es ist auch nicht immer nötig, eine dauernde Messung oder Berechnung des sich stets ändernden Leistungsbedarfes vorzunehmen. Eine einfachere Lösung besteht darin, den insgesamt zur Verfügung stehenden Bereich, also beispielsweise 4-20 mA, in Unterbereiche aufzuteilen, denen jeweils eine bestimmte Häufigkeit der Messung pro Zeiteinheit zugewiesen wird. So läßt sich sehr einfach erreichen, daß in dem Unterbereich, der der höchsten vorgegebenen Leistungsabnahme entspricht, relativ häufig gemessen wird, während in den Unterbereichen, die geringeren verfügbaren Leistungen entsprechen, grundsätzlich entsprechend weniger häufig gemessen wird.It is also not always necessary to continuously measure or calculate the constantly changing performance requirements. An easier one Solution is the total area available, so for example, 4-20 mA to divide into sub-areas, each one certain frequency of measurement per unit of time is assigned. So lets reach themselves very easily that in the sub-area, that of the highest corresponds to the specified decrease in performance, is measured relatively frequently, while in the subareas, the lower benefits available correspond, generally less is measured accordingly.
Es muß dann nur noch überwacht werden, in welchem dieser Unterbereiche das System gerade arbeitet, was beispielsweise bei Anschluß einer 4-20 mA Stromschleife davon abhängt, welcher Meßwert ausgegeben werden muß und welchem Strom dies dann entspricht, um dann die Betriebsweise entsprechend zu wählen.It then only has to be monitored in which of these sub-areas the system is working, for example when connecting a 4-20 mA Current loop depends on which measured value must be output and what current this corresponds to then the mode of operation to choose accordingly.
Der Anschluß der Meßeinrichtung an eine digitale Kommunikation, oder eine damit verbundene Stromschleife, ermöglicht völlig analoge Maßnahmen zur Erreichung der gleichen Vorteile.The connection of the measuring device to a digital communication, or a associated current loop, enables completely analog measures to Achieve the same benefits.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung am Beispiel erfindungsgemäßer Meßeinrichtungen beschrieben. Eine Meßeinrichtung besteht dabei immer aus einem gattungsgemäßen Teil, der den Fig. 1, 2 oder 7 entspricht, sowie einer Anbindung an die Versorgung entsprechend den Fig. 3 bis 6 oder 8 bis 13.Preferred embodiments of the invention are described below using the example of measuring devices according to the invention. A measuring device always consists of a generic part which corresponds to FIGS . 1, 2 or 7, and a connection to the supply corresponding to FIGS. 3 to 6 or 8 to 13.
Eine erste beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßan ordnung ist ein Radar-Füllstandssensor. Der Sensor mißt den Füllstand in einem Behälter. Der gemessene Wert wird entweder über eine Stromschleife mit z. B. 4-20 mA oder über eine digitale Kommunikation, z. B. einen Feldbus, weitergegeben.A first exemplary embodiment of a measuring device according to the invention order is a radar level sensor. The sensor measures the level in a container. The measured value is either via a current loop with z. B. 4-20 mA or via digital communication, e.g. B. a fieldbus, passed.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines solchen Radar-Sensors (101). Dargestellt ist der gattungsgemäße Teil, der unabhängig davon ist, wie der gemessene Wert weitergegeben wird. Fig. 1 shows a part of such a radar sensor (101). The generic part is shown, which is independent of how the measured value is passed on.
Zur Energieversorgung des Sensors (101) dient ein Netzteil (102), das mit Versorgungsleitungen (14) und (15) mit einer Stromstufe verbunden ist.A power supply unit ( 102 ), which is connected to supply lines ( 14 ) and ( 15 ) with a current stage, is used to supply energy to the sensor ( 101 ).
Gesteuert wird der Sensor von einem Mikrocontroller (106), dessen Programm sich in einem Programmspeicher (107) befindet. Er verwendet für seine Daten ein EEPROM (109) und ein RAM (108). Der Mikrocontroller steuert das HF- Frontend (103), das Radar-Signale erzeugt, an die Antenne (114) schickt und die empfangenen Signale aufbereitet. Diese Signale werden vom Empfänger (104) aufbereitet und mittels eines A/D-Wandlers (105) digitalisiert an den Mikrocontroller weitergeleitet. Aus den digitalen Signalen bestimmt der Mikro controller einen Meßwert. Diesen gibt er nach einer eventuellen Umwandlung über eine Steuerleitung (16) weiter an die Stromstufe (vgl. weiter unten), die davon abhängig einen Strom einstellt, oder an die digitale Schnittstelle, die den Meßwert über eine digitale Kommunikation weitergibt. Die Steuerleitungen (16) und (17) werden dabei als Verbindung zur digitalen Schnittstelle benutzt. Zur Reduktion der aufgenommenen Leistung hat der Mikrocontroller die Möglichkeit, das HF-Frontend, den Empfänger oder andere Schaltungsteile über Stand-by-Signale in einen Ruhezustand mit verminderter Leistungs aufnahme zu versetzen, bzw. diese ganz auszuschalten, wie weiter unten beschrieben. Zur Messung der aktuellen Leistungsaufnahme des Sensors dienen gegebenenfalls Meßleitungen (18)-(20) und ein A/D-Wandler (110), der mit dem Mikrocontroller (106) verbunden ist. Der Mikrocontroller hat einen Modus mit verminderter Stromaufnahme. Kondensatoren (111), (112), und (113) mindern die Stromschwankungen, die beim Ein- und Ausschalten der Komponenten entstehen.The sensor is controlled by a microcontroller ( 106 ) whose program is located in a program memory ( 107 ). It uses an EEPROM ( 109 ) and a RAM ( 108 ) for its data. The microcontroller controls the HF front end ( 103 ), which generates radar signals, sends them to the antenna ( 114 ) and processes the received signals. These signals are processed by the receiver ( 104 ) and digitally forwarded to the microcontroller by means of an A / D converter ( 105 ). The micro controller determines a measured value from the digital signals. After a possible conversion, it transmits this via a control line ( 16 ) to the current stage (see below), which depending on this sets a current, or to the digital interface, which forwards the measured value via digital communication. The control lines ( 16 ) and ( 17 ) are used as a connection to the digital interface. To reduce the power consumed, the microcontroller has the option of putting the RF front end, the receiver or other circuit parts into a sleep mode with reduced power consumption via standby signals, or to switch them off completely, as described below. Measuring lines ( 18 ) - ( 20 ) and an A / D converter ( 110 ), which is connected to the microcontroller ( 106 ), may be used to measure the current power consumption of the sensor. The microcontroller has a mode with reduced power consumption. Capacitors ( 111 ), ( 112 ), and ( 113 ) reduce the current fluctuations that occur when the components are switched on and off.
Durch Ändern der Dauer und Häufigkeit, mit der der Mikrocontroller die einzelnen Komponenten in den Ruhezustand versetzt, kann er den Leistungsbedarf des Sensors beeinflussen.By changing the duration and frequency with which the microcontroller individual components in the idle state, he can Influence the power requirement of the sensor.
Fig. 2 zeigt als zweite beispielhafte Ausführungsform einen ähnlich aufgebauten Ultraschall-Sensor. Gesteuert wird der Sensor von einem Mikrocontroller (206), dessen Programm sich in einem Programmspeicher (207) befindet. Er verwendet für seine Daten ein EEPROM (209) und ein RAM (208). Fig. 2 shows a second exemplary embodiment of a similarly constructed ultrasonic sensor. The sensor is controlled by a microcontroller ( 206 ) whose program is located in a program memory ( 207 ). It uses an EEPROM ( 209 ) and a RAM ( 208 ) for its data.
Der Mikrocontroller steuert den Ultraschallsender (203), der Ansteuersignale für den Schallwandler (214) liefert. Der Schallwandler (214) erzeugt dadurch Schallwellen, die ausgesendet und von einem reflektierenden Medium zurückgeworfen werden. Die empfangenen Signale wandelt der Schallwandler in elektrische Signale, die dem Empfänger (204) zugeführt werden. Dieser verstärkt und filtert das Signal, bevor es mittels A/D-Wandler (205) vom Mikrocontroller (206) erfaßt wird. Der Mikrocontroller (206) bestimmt daraus einen Meßwert, den er nach einer eventuellen Umwandlung über die Steuerleitung (16) an die Stromstufe, die davon abhängig einen Strom einstellt, oder an die digitale Schnittstelle weitergibt, die diesen über eine digitale Kommunikation weiterleitet. The microcontroller controls the ultrasound transmitter ( 203 ), which supplies control signals for the sound transducer ( 214 ). The sound transducer ( 214 ) thereby generates sound waves which are emitted and reflected by a reflecting medium. The sound converter converts the received signals into electrical signals which are fed to the receiver ( 204 ). This amplifies and filters the signal before it is detected by the microcontroller ( 206 ) by means of an A / D converter ( 205 ). From this, the microcontroller ( 206 ) determines a measured value, which it transmits via the control line ( 16 ) to the current stage, which adjusts a current depending on it, or to the digital interface, which forwards it via digital communication.
Eine erste bevorzugte Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung für die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Sie dient zur Messung des Leistungsüberschusses, der für die Optimierung des Meßeinrichtungsbetriebs jeweils zur Verfügung steht, mittels einer Stromstufe (302). Die Meßeinrichtung in Fig. 3 wird mit einer Stromschleife über die Anschlüsse (11) und (12) mit Strom versorgt.A first preferred implementation of the solution according to the invention for the exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 is shown in FIG. 3. It is used to measure the excess power, which is available for the optimization of the measuring device operation, by means of a current stage ( 302 ). The measuring device in Fig. 3 is supplied with current via a current loop via the connections ( 11 ) and ( 12 ).
Die Stromstufe (302) ist parallel zur restlichen Schaltung der Meßeinrichtung geschaltet. Die Stromstufe überwacht den Summenstrom über den Spannungsabfall an einem Widerstand (R301) und hält ihn konstant. Der Strom durch die Stromstufe wird so geregelt, daß der Summenstrom durch den Widerstand (R301) konstant bleibt und dem durch die Steuerleitung (16) vorgegebenen Wert entspricht.The current stage ( 302 ) is connected in parallel to the rest of the circuit of the measuring device. The current stage monitors the total current via the voltage drop across a resistor (R301) and keeps it constant. The current through the current stage is regulated so that the total current through the resistor (R301) remains constant and corresponds to the value specified by the control line ( 16 ).
Der Strom, der in die Klemmen der Meßeinrichtung fließt, teilt sich auf in einen Anteil, der in die Versorgungsleitung (14) fließt, und einen Anteil, der in die Stromstufe (302) fließt. Der Strom durch die Versorgungsleitung (14) wird von der Meßeinrichtung zum Arbeiten verwendet, der Strom durch die Stromstufe wird nicht für die Versorgung der Meßeinrichtung genutzt, er ist ein Maß für den aktuellen Leistungsüberschuß. Der Mikrocontroller mißt diesen Überschuß, in Fig. 3 dargestellt als Spannungsmessung über einen Widerstand (R302), und stellt den Stromverbrauch des Sensors so ein, daß immer ein ausreichender, wenn auch möglichst kleiner Überschuß vorhanden ist. Verringert sich der Überschuß, werden Teile der Meßeinrichtung (z. B. der Sende- und Empfangsbereich, oder auch der gesamte Signalerzeugungs- und Verarbeitungsbereich) in einen stromsparenden Ruhezustand versetzt. Es ist möglich, bei entsprechender Verringerung des Überschusses eine zeitweise Aussetzung des Betriebes zu realisieren, wie im Stand der Technik (EP 0 687 375) beschrieben. The current that flows into the terminals of the measuring device is divided into a portion that flows into the supply line ( 14 ) and a portion that flows into the current stage ( 302 ). The current through the supply line ( 14 ) is used by the measuring device for working, the current through the current stage is not used to supply the measuring device, it is a measure of the current excess power. The microcontroller measures this excess, shown in FIG. 3 as a voltage measurement across a resistor (R302), and adjusts the current consumption of the sensor in such a way that there is always a sufficient, albeit small, excess. If the excess decreases, parts of the measuring device (for example the transmission and reception area or the entire signal generation and processing area) are put into a power-saving idle state. With a corresponding reduction in the excess, it is possible to temporarily suspend operation, as described in the prior art (EP 0 687 375).
Dadurch, daß man immer einen kleinen Überschuß fließen läßt, hat die Stromstufe die Möglichkeit, kurzzeitige Schwankungen in der Leistungsbilanz auszugleichen, ohne daß es zu einem Defizit kommt. Schwankungen können z. B. eine kurzzeitig erhöhte Leistungsaufnahme oder eine Schwankung der Versorgungsspannung sein.By always allowing a small excess to flow, the Current level the possibility of short-term fluctuations in the current account to compensate without causing a deficit. Fluctuations can z. B. a briefly increased power consumption or a fluctuation in Supply voltage.
Eine exaktere Messung des Leistungsüberschusses ergibt sich, wenn man zusätzlich die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit Hilfe der Meßleitung (19) mißt. Man erhält dann durch Multiplikation von Strom und Spannung direkt die überschüssige Leistung.A more precise measurement of the excess power is obtained if the voltage on the supply line + ( 14 ) is also measured using the measuring line ( 19 ). The excess power is then obtained directly by multiplying the current and voltage.
Fig. 4 zeigt alternative Möglichkeiten, die Stromstufe (402) aufzubauen. Sie befindet sich hier in Reihe zu den Versorgungsleitungen (14, 15). Ihr ist eine Z-Diode (403) (alternativ eine elektronische Schaltung, die eine variable Stromaufnahme abhängig von der Spannung besitzt) nachgeschaltet. (Die elektronische Schaltung ist üblicherweise zu bevorzugen.) Wie oben, gemäß Fig. 3, wird auch hier der Summenstrom der kompletten Meßeinrichtung über einen Widerstand (R401) gefühlt und dementsprechend geregelt. Der Strom teilt sich nach der Stromstufe auf in einen Teil, der zur Versorgung der Meßeinrichtung verwendet wird (Versorgungsleitung + (14)) und einen über schüssigen Teil, der von der Z-Diode aufgenommen wird. Die Messung des Überschusses geschieht über den Spannungsabfall über einem Widerstand (R402), da der Strom durch (R402) ein Maß für den aktuellen Leistungsüber schuß ist. Fig. 4 shows alternative ways to build the current stage ( 402 ). It is here in series with the supply lines ( 14 , 15 ). It is followed by a Zener diode ( 403 ) (alternatively an electronic circuit that has a variable current consumption depending on the voltage). (The electronic circuit is usually to be preferred.) As above, according to FIG. 3, the total current of the complete measuring device is sensed via a resistor (R401) and regulated accordingly. The current is divided according to the current stage into a part that is used to supply the measuring device (supply line + ( 14 )) and an excess part, which is taken up by the Zener diode. The excess is measured via the voltage drop across a resistor (R402), since the current through (R402) is a measure of the current excess power.
Die Bestimmung des Leistungsüberschusses wird genauer, wenn man zusätzlich die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit der Meßleitung (18) mißt.The determination of the excess power becomes more precise if one additionally measures the voltage on the supply line + ( 14 ) with the measuring line ( 18 ).
In Fig. 13 ist eine gegenüber Fig. 4 verbesserte Schaltung dargestellt. Eine Stromstufe (1302) ist in Reihe zu den Versorgungsleitungen geschaltet. Ihr ist eine Schaltung (1303) nachgeschaltet, die überschüssige Leistung aufnimmt. Dazu fühlt sie die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) und mit Hilfe eine Leitung (1304) die Spannung vor der Stromstufe. Die Schaltung (1303) nimmt dabei genau so viel Strom auf, daß der Spannungsabfall über der Stromstufe (1302) zur Verringerung von Verlustleistung möglichst klein wird, aber groß genug bleibt, so daß die Stromstufe den Strom konstant halten kann, auch wenn Schwankungen der Versorgungsspannungen oder der Stromaufnahme des Sensors auftreten. Ein Maß für die überschüssige Leistung ergibt sich daher aus dem Strom durch die Schaltung (1303), der z. B. über den Spannungsabfall an (R1302) mit Hilfe der Meßleitung (20) gemessen wird. FIG. 13 shows an improved circuit compared to FIG. 4. A current stage ( 1302 ) is connected in series with the supply lines. It is followed by a circuit ( 1303 ) which consumes excess power. To do this, it senses the voltage on the supply line + ( 14 ) and, with the help of a line ( 1304 ), the voltage before the current stage. The circuit ( 1303 ) takes up just enough current that the voltage drop across the current stage ( 1302 ) is as small as possible to reduce power loss, but remains large enough so that the current stage can keep the current constant, even if fluctuations in the supply voltages or the current consumption of the sensor. A measure of the excess power therefore results from the current through the circuit ( 1303 ), the z. B. is measured via the voltage drop at (R1302) using the measuring line ( 20 ).
Die Bestimmung des Leistungsüberschusses wird genauer, wenn man zusätzlich die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit der Meßleitung (18) mißt.The determination of the excess power becomes more precise if one additionally measures the voltage on the supply line + ( 14 ) with the measuring line ( 18 ).
In Fig. 5 ist eine Stromstufe (502) vergleichbar zu der in Fig. 3 gezeigt. Im Unterschied dazu wird hier der momentane Leistungsüberschuß nicht direkt gemessen. Über einen Widerstand (R502) wird der Strombedarf der Meßeinrichtung ermittelt. Aus der Differenz zwischen dem bekannten Strom, der in der Stromschleife fließt, und dem Strombedarf der Meßeinrichtung durch (R502) läßt sich ein Maß für den Überschuß ableiten. Auch hier kann die überschüssige Leistung genauer durch eine zusätzliche Messung der an der Versorgungsleitung + (14) zur Verfügung stehenden Spannung mittels Meßleitung (19) ermittelt werden. FIG. 5 shows a current stage ( 502 ) comparable to that in FIG. 3. In contrast to this, the current excess power is not measured directly. The current requirement of the measuring device is determined via a resistor (R502). A measure of the excess can be derived from the difference between the known current flowing in the current loop and the current requirement of the measuring device through (R502). Here, too, the excess power can be determined more precisely by an additional measurement of the voltage available on the supply line + ( 14 ) by means of the measuring line ( 19 ).
Fig. 6 stellt eine Stromstufe (602) dar, ähnlich Fig. 4. Im Unterschied zur Meßeinrichtung nach Fig. 4 wird hier jedoch nicht direkt der Überschuß gemessen, sondern die Eingangsleistung an den Klemmen der Meßeinrichtung und die Leistungsaufnahme, die die Meßeinrichtung zur Versorgung benötigt, bestimmt. Die Eingangsleistung ergibt sich aus dem bekannten Strom, der in der Stromschleife fließt, und der über Meßleitung (19) gemessenen Eingangsspannung. Die Leistungsaufnahme, die die Meßeinrichtung zur Versorgung benötigt, wird aus dem Strom durch (R602) und der über Meßleitung (18) gemessenen Spannung der Versorgung + (14) bestimmt. Die Differenz beider Leistungen ist ein Maß für den aktuell an stehenden Überschuß an Leistung. Fig. 6 illustrates a current stage (602) is similar to Fig. 4. In contrast to the measuring device of FIG. 4, the excess is measured here, however not directly, but the input power at the terminals of the measuring device and the power consumption that the measuring device for the supply needed, determined. The input power results from the known current flowing in the current loop and the input voltage measured via measuring line ( 19 ). The power consumption that the measuring device requires for supply is determined from the current through (R602) and the voltage of supply + ( 14 ) measured via measuring line ( 18 ). The difference between the two services is a measure of the current excess of service.
Häufig ist der Leistungsverbrauch der Meßeinrichtung (101, 102) im wesentlichen bestimmt durch ein oder mehrere große Verbraucher. Erhält man eine Information über den Leistungsverbrauch dieser Komponenten, kann man eine Aussage über den Leistungsverbrauch der Meßeinrichtung machen, indem man z. B. für den unbekannten Leistungsverbrauch der ande ren Komponenten einen Worst-Case-Wert annimmt. Zusätzlich wird die zur Verfügung stehende Leistung bestimmt, wie z. B. in den Fig. 3 bis 6 dargestellt und daraus der Leistungsüberschuß bestimmt. Anhand des Leistungsüberschusses bestimmt der Mikrocontroller, ob Teile der Meßein richtung in den besagten Ruhezustand versetzt werden müssen, um den Leistungsverbrauch der Meßeinrichtung zu steuern. Fig. 7 zeigt hierfür als weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen Radar-Sensor, der mit Hilfe einer Meßleitung (715) eine Aussage über die Leistungsaufnahme des Empfängers (704) erhält. Ob der Sensor hierbei mittels einer Strom schleife oder einer digitalen Kommunikation versorgt wird, ist unerheblich. Bei einem Ultraschall-Sensor oder einem Sensor mit am Seil geführtem Radar ist das gleiche Vorgehen durchführbar. Wichtig ist hierbei nur, einen oder mehrere Hauptverbraucher auszumachen, deren aktueller Leistungsbedarf bestimmt wird.The power consumption of the measuring device ( 101 , 102 ) is often essentially determined by one or more large consumers. If you get information about the power consumption of these components, you can make a statement about the power consumption of the measuring device by z. B. assumes a worst case value for the unknown power consumption of the other components. In addition, the available power is determined, such as B. in Figs. 3 to 6 and determined the excess power. Based on the excess power, the microcontroller determines whether parts of the measuring device have to be put into said idle state in order to control the power consumption of the measuring device. Fig. 7 of the invention shows for this purpose as a further preferred embodiment of a radar sensor that is obtained by means of a measuring line (715) a statement about the power consumption of the receiver (704). It is irrelevant whether the sensor is powered by a current loop or digital communication. The same procedure can be carried out for an ultrasound sensor or a sensor with radar guided on the cable. It is only important to identify one or more main consumers whose current power requirements are determined.
Es ist möglich, die oben beschriebenen Einrichtungen zu vereinfachen. Solche Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand Fig. 8 und 9 erläutert. It is possible to simplify the facilities described above. Such embodiments of the invention will now be explained with reference to FIGS. 8 and 9.
Für eine grobe Aussage, wieviel Überschuß momentan vorhanden ist, kann es ausreichen, nur die zur Verfügung stehende Leistung zu ermitteln. Diese läßt sich z. B. aus Eingangsstrom und Eingangsspannung bestimmen. Der Eingangsstrom ist bekannt, da er vom Mikrocontroller über die Steuerleitung (16) der Stromstufe vorgegeben wird, die Eingangsspannung wird, wie in den Fig. 8 und 9 gezeigt, mittels einer Meßleitung (18) gemessen. Abhängig von der ermittelten zur Verfügung stehenden Leistung können nun die Ruhezustände der einzelnen Komponenten dazu verwendet werden, die aufgenommene Leistung des Sensors der zur Verfügung stehenden Leistung so anzupassen, daß immer ein gewisser Leistungsüberschuß bestehen bleibt.For a rough statement of how much excess is currently available, it may be sufficient to determine only the available power. This can be done e.g. B. determine from input current and input voltage. The input current is known because it is predetermined by the microcontroller via the control line ( 16 ) of the current stage, and the input voltage is measured by means of a measuring line ( 18 ), as shown in FIGS . 8 and 9. Depending on the determined available power, the idle states of the individual components can now be used to adapt the absorbed power of the sensor to the available power in such a way that a certain excess of power always remains.
Eine hierauf aufbauende Vereinfachung besteht darin, die Eingangsspannung nicht zu messen, die Meßleitung (18) in den Fig. 8 und 9 ist dann nicht notwendig. Anhand des eingestellten Stromes, der nicht gemessen werden muß, da er vom Mikrocontroller über die Steuerleitung (16) der Stromstufe vorgegeben wird, kann man eine Aussage über die zur Verfügung stehende Leistung treffen. Bei maximalem Strom, z. B. 20 mA, steht selbst bei minimaler Spannung relativ viel Leistung zur Verfügung, erst bei relativ kleinen Strömen, z. B. nahe 4 mA, kann wenig Leistung zur Verfügung stehen. Es reicht daher aus, die Steuerung der Ruhezustände nur abhängig vom eingestellten Strom auszurichten und die Dauer und Häufigkeit, mit der die Ruhezustände aktiviert werden, so einzustellen, daß auch bei minimaler Eingangsspannung und maximalem Leistungsverbrauch der einzelnen Komponenten die zur Ver fügung stehende Leistung nicht überschritten wird.A simplification based on this is not to measure the input voltage; the measuring line ( 18 ) in FIGS . 8 and 9 is then not necessary. On the basis of the set current, which does not have to be measured, since it is specified by the microcontroller via the control line ( 16 ) of the current stage, one can make a statement about the available power. At maximum current, e.g. B. 20 mA, even with minimal voltage, a relatively large amount of power is available, only with relatively small currents, e.g. B. close to 4 mA, little power can be available. It is therefore sufficient to adjust the control of the idle states only depending on the set current and to set the duration and frequency with which the idle states are activated so that the available power does not exceed the minimum input voltage and maximum power consumption of the individual components becomes.
Weitere erfindungsgemäß bevorzugte Vereinfachungen zeigen die Fig. 10 und 11. Hier wird nur der momentan benötigte Strom als Spannungsabfall über den Widerstand (R1002) mit Hilfe der Meßleitung (18) bzw. über (R1102) mit Hilfe der Meßleitung (20) gemessen. Der Mikrocontroller kann diesen Strom durch Steuerung der Ruhezustände so regeln, daß er immer unter dem aktuell zur Verfügung stehenden Strom bleibt. 10 and 11 show further simplifications preferred according to the invention . Here, only the current currently required is measured as a voltage drop across the resistor (R1002) using the measuring line ( 18 ) or via (R1102) using the measuring line ( 20 ). The microcontroller can regulate this current by controlling the idle states so that it always remains below the current available.
Ausgehend von Fig. 7 ist es möglich als weitere Vereinfachung nur den Leistungsbedarf eines oder mehrerer Hauptverbraucher zu bestimmen und davon abhängig die Ruhezustände der Komponenten zu steuern, ohne die zur Verfügung stehende Leistung zu bestimmen.Starting from FIG. 7, it is possible, as a further simplification, to determine only the power requirement of one or more main consumers and, depending on this, to control the idle states of the components without determining the power available.
Bei Meßeinrichtungen mit Anschluß an eine digitale Kommunikation, z. B. einem Feldbus, stellen sich ähnliche Ansprüche an die Meßeinrichtung. Der Strom, den die Meßeinrichtung dem digitalen Bus entnehmen darf, muß konstant sein, er ist üblicherweise fest eingestellt. Auch hier gibt es die Notwendigkeit, die Leistungsaufnahme der Meßeinrichtung dem Leistungs angebot anzupassen. Die Art und Weise, wie dies zu realisieren ist, entspricht den bisherigen Ausführungen. Es ist lediglich zu beachten, daß der Strom durch die Stromstufe nicht vom Meßwert abhängt, sondern üblicherweise fest eingestellt ist.In measuring devices with connection to digital communication, e.g. B. a fieldbus, similar demands are placed on the measuring device. The Current that the measuring device is allowed to take from the digital bus must be constant, it is usually fixed. There are also here Need to measure the power consumption of the measuring device adjust offer. The way in which this is to be done corresponds to the previous versions. It should only be noted that the current does not depend on the measured value due to the current level, but usually fixed is set.
Beispielhaft ist in Fig. 12 ein Teil einer solchen Meßeinrichtung dargestellt. Die Stromstufe (1202) hält den Strom in Zeiten, wenn keine Kommunikation stattfindet, konstant. Zum Senden digitaler Signale erhält die digitale Schnittstelle (1203) über die Steuerleitung (16) vom Mikrocontroller Daten, die sie in modulierter Form an die Stromstufe weitergibt, welche den Strom entsprechend verändert. Die Art der Modulation hängt von den Spezifikationen der verwendeten digitalen Kommunikation ab. Daten werden empfangen, indem die Signale an der Versorgungsleitung + (14) oder an der Stromstufe (1202) von der digitalen Schnittstelle (1203) erkannt und demoduliert über die Steuerleitung (17) an den Mikrocontroller weitergeleitet werden. Die Messung des Überschusses wird, wie in Fig. 3 bereits dargelegt, realisiert, indem der Spannungsabfall über (R1202) mit der Meßleitung (18) gemessen wird oder zusätzlich die Spannung an der Versorgungsleitung + (14) mit der Meßleitung (19). Genauso sind die anderen bisher beschriebenen Verfahren auf Meßeinrichtungen mit digitaler Kommunikation anwendbar.Part of such a measuring device is shown as an example in FIG . The current stage ( 1202 ) keeps the current constant at times when there is no communication. To send digital signals, the digital interface ( 1203 ) receives data from the microcontroller via the control line ( 16 ), which it transmits in modulated form to the current stage, which changes the current accordingly. The type of modulation depends on the specifications of the digital communication used. Data is received by the signals on the supply line + ( 14 ) or on the current stage ( 1202 ) being recognized by the digital interface ( 1203 ) and passed on demodulated via the control line ( 17 ) to the microcontroller. The measurement of the excess, as already shown in FIG. 3, is realized by measuring the voltage drop via (R1202) with the measuring line ( 18 ) or additionally the voltage on the supply line + ( 14 ) with the measuring line ( 19 ). The other methods described so far can also be applied to measuring devices with digital communication.
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| DE102012109010A1 (en) * | 2012-09-25 | 2014-03-27 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Measuring device of process automation technology |
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